前言

随着社会发展和经济转型，我国的农业灌溉逐步从单一、分片小块农田转向连片、大农场。现代农业本质是利用先进技术装备支撑农业规模化，用精准化信息技术支撑农业信息化。中国是一个水资源严重短缺的国家，水资源供需矛盾突出仍然是可持续发展的主要瓶颈，近年来农业用水量约占经济社会用水总量的62％，部分地区高达90％以上，农业用水效率不高，节水潜力很大。在此背景下，对灌区灌溉管理提出了实时、精量、自动化等更高要求。遥感技术作为现代信息技术，具有宏观、快速、客观、准确等优点，能够快速获取大面积作物生长状态实时信息，为实施精确农业提供技术支撑。农田作物生长过程监测和受旱缺水的试验及结果分析，有利于剖析/刻画作物需耗水敏感期和关键节点，制定科学的灌溉制度，是农田节水技术及基础理论研究中必不可少的重要工作。田间定位实时观测与卫星遥感相结合进行灌区作物需耗水评估，一直是现代灌区水管理的研究难题和热点。

围绕作物精量灌溉决策理论与灌区农田作物需耗水估算的研究主题，本书作者依托国家“863”计划子课题“多信息融合的作物缺水诊断与灌溉决策技术”　（2006AA100208-4）、　“作物需水信息的诊断与灌溉决策技术”（2011AA100509-03），“十二五”国家科技支撑项目课题“灌区分布式作物需水量与灌溉需水量监测和预报系统”（2012BAD08B01），“十三五”国家重点研发计划课题　“多尺度作物高效耗水理论及灌溉制度优化”（2016YFC0400101），以及国家自然科学基金“农田变化环境下作物ET时空变异及尺度转换效应研究”（50909098）、“遥感模型耦合数据同化方法的北方典型农田陆面过程模拟”（51409277）、“基于作物冠层红外温度的多尺度干旱监测与灌溉决策”（51679254）等项目，长期系统地开展对农田作物精量灌溉决策技术和灌区作物需耗水量估算的研究。本书即是对上述研究的部分内容总结，取得的主要成果如下：

（1）利用解析方法和模糊神经网络方法，构建了根据天气预报信息估算ET0的模型和方法。对上述方法在我国不同气候区的适宜性进行了估算。在根据实时天气预报信息推求参照腾发量的方法上，应用作物根区土壤水量平衡方程，提出了实时估算作物腾发量的方法，该方法可以有效地实时估算作物腾发量，为田间实时灌溉管理与决策提供较为可靠的参数，并且因为天气预报信息数据来源为免费的公共资源，所以方便、经济，易于推广应用。利用模糊逻辑构建了多指标综合灌溉决策模型。

（2）针对北方主要农作物，开展了精量灌溉决策指标敏感性和主要决策阈值的试验研究，为编制田间精量灌溉决策和管理软件提供了核心算法、模型。当考虑作物干物质产量和作物水分利用效率均为最优的目标时，应优先关注叶面蒸腾、光合有效辐射、叶面温度和土壤水分变化带来的影响作用，并基于此进行多指标精量控制灌溉决策。通过对冬小麦返青后生育期内不同时段环境因子和作物生理生态指标对作物实际腾发量ET的通径分析表明，在不同时空尺度下，作物蒸腾蒸发的影响因子不同，并显示了其不同的时空尺度效应。运用多元回归方法，考虑作物生长影响因子和反映尺度特征的LAI、VPD、Rn等变量，建立起中尺度以下叶面蒸腾Tr、实际腾发ETa、水分通量LE间的多元回归关系，得到基于小尺度观测数据上推大尺度ET的转换关系。

（3）通过设计低功耗经济型土壤墒情监测仪，构建了基于GPRS和网络服务器的区域墒情监测系统；低功耗经济型土壤墒情监测仪结构精巧、经济适用，系统运行功耗低，非常适宜于大面积野外布设，能够为区域墒情监测和区域灌溉管理提供很好的支撑。设计一个可以在线连续监测田间作物冠层温度、环境信息和土壤墒情的实时灌溉决策系统，采用太阳能供电和微处理器进行数据采集和管理，为系统在野外的实际应用提供了保障。系统配置了红外温度、空气温湿度、土壤水分/水势等传感器，能够及时采集田间全面的同步数据，排除了异地观测所形成的数据误差。所采用的悬臂式多点采集下垫面红外温度的检测方法，可以快速采集更多和更高精度的数据，避免单点测量的人为误差。本系统配备的快速锁紧装置，能够根据下垫面作物的生长情况进行传感器位置高度调节，使检测数据更符合田间实际情况。通过运行管理和监测数据分析发现，所监测数据能够很精细地刻画作物实际生长状况，可用于灌区综合灌溉决策，实现田间精量灌溉管理和控制，为灌溉管理的精量化和智能化提供数据支持。

（4）通过对玉米和向日葵田间水平和垂直温度观测，发现试验田块内玉米和向日葵生育期内水平方向上10：00—15：00各时刻冠层温度的变异系数均小于5％，说明生育期内两种作物在水平方向上冠层温度变化差异很小。在作物生育前期，垂直方向农田温度变化基本上是Ts-0＞Ta＞Tc＞Ts-20；在作物生育中期和后期，垂直方向农田温度变化基本上是Ta＞Tc＞Ts-0＞Ts-20。利用研发的在线式作物冠层温度及田间多参数观测系统，通过地面田间数据的连续采集和卫星过境遥感图片的地面温度反演，对内蒙古河套灌区解放闸灌域和北京大兴区试验站4种典型农田的地表温度与作物冠层温度数据进行了对比分析。在下垫面植被均匀、土壤水分空间变异性较小的区域，利用Landsat8卫星图片遥感反演地表温度，可以很好地与地面作物冠层温度监测结果相吻合。地面监测点数据可以代表临近5个像元（90m×90m）的情况。利用Sobrino方法或者覃志豪法计算地表比辐射率来反演地面温度，适用于不同作物类型。玉米、春小麦区域采用简单的Sobrino法为宜，葵花地利用覃志豪方法较好，冬小麦-夏玉米连作区两种方法计算结果差别不大。

（5）通过LIWIS平台中SEBS模块实现了Landsat时空尺度分辨率蒸散发的反演。结合MODIS时空尺度蒸散发数据，利用基于ENVI/IDL软件的ESTARFM融合算法实现研究区域蒸散发的空间降尺度，构建了同时具有高时间、高空间分辨率特征的蒸散发数据集。融合蒸散发与Landsat蒸散发在空间纹理信息和空间差异性上一致。不同作物融合蒸散发与水量平衡蒸散发生育期变化过程较吻合，春玉米、春小麦和向日葵的决定系数R2分别达到了0.85、0.79和0.82，均方根误差均低于0.7mm/d；相对误差均低于16％。在区域农田蒸散发总量验证中，融合蒸散发与水量平衡蒸散发相关性较好，两者决定系数达到了0.635。

（6）在玉米和向日葵田块分别安装CTMS-On line型作物冠层温度及环境因子测量系统，连续同步监测两种作物的冠层温度和田间气象数据，率定和验证Seguin和Itier简化模型（简称S-I模型）在当地的适用性。采用增强自适应时空融合算法（ESTARFM）对Landsat和MODIS地表温度数据进行数据融合，生成高时空分辨率地表温度数据集；利用S-I模型估算玉米和向日葵区域蒸散量，并通过区域水量平衡法对模型估算结果进行总量验证，评价S-I模型在区域尺度的适用性。

（7）利用2000—2015年解放闸灌域种植结构信息、农田蒸散发信息以及土壤墒情数据，分析节水改造实施以来种植结构时空演变、农业蒸散发变化，评价节水改造工程所起到的效果，估算灌区灌溉水有效利用系数以及诊断土壤墒情水分亏缺。可见种植结构虽有较大调整，但其空间分布格局的相对差异性并未发生明显变化。种植结构这种空间分布一方面受地下水位和土壤盐渍化等水土环境的制约，另一方面与作物生理特征密切相关。研究结果同时也表明了该地区种植结构在区域分布上具有一定的合理性。不同作物生育期和非生育期多年平均耗水差异较大。生育期内，套种（4—10月）年均蒸散发总量最大，达到637mm，春玉米（5—10月）和向日葵（6—10月）次之，分别为598mm和502mm，春小麦（4—7月）蒸散发量最低，为412mm。非生育期内，春小麦（8—10月）蒸散发量最大，年均达到214mm，春玉米（4月）和向日葵（4—5月）年均蒸散发量分别为42mm和128mm。但4—10月不同作物多年平均蒸散发量差异较小。农业总蒸散发量保持在一定水平，对种植结构调整和地下水位的时空演变不敏感。自引黄灌溉总量缩减以及节水改造工程实施以来，农田蒸散发保持在一定水平，农田灌溉用水效率得到提高，表明节水改造所起到的积极影响。同时，地下水埋深从1.76m降至2.33m，有利于减少无效蒸发并有效地减轻土壤二次盐化。

本书共有9章内容，第1章综述精量灌溉决策与从农田到灌区的作物ET估算的研究现状，并对灌区农田作物需耗水和精细灌溉管理研究进行展望；第2～4章阐述农田尺度精量灌溉决策方法、理论、管理和ET尺度效应与尺度转换；第5章描述用于灌区农田实时数据采集的观测系统；第6～9章对灌区作物需耗水精细评估方法进行研究。其中：第1章由蔡甲冰、白亮亮、黄凌旭撰写；第2～5章由蔡甲冰、刘钰撰写；第6章由蔡甲冰、白亮亮、黄凌旭撰写；第7章和第9章由白亮亮、蔡甲冰、刘钰撰写；第8章由黄凌旭、蔡甲冰撰写。全书由蔡甲冰完成统稿。除了上述编写人员外，参加研究工作的人员还有中国水利水电科学研究院的陈鹤、彭致功、张宝忠、魏征、许迪、李益农等人，硕士研究生司南、秦智通、毛一男等人也参与了部分工作。田间试验观测和区域数据收集工作得到了内蒙古河套灌区解放闸灌域沙壕渠试验站、吉林省水科院长春试验站、北京时域通科技有限公司等单位的大力协助，在此一并表示感谢。

由于研究水平和时间所限，书中难免存在不足和疏漏之处，恳请同行专家和广大读者批评指正。

作者

2018年8月